深圳大學發3篇Science及Nature，綜合排名首次進入全球500強

　　在2019年，深圳大學獲得345項國家自然科學基金的資助，資助總額度達到1.47億，進入了全國20強。另外，對于全球高校綜合排名，深圳大學首次跨入全球500強（點擊閱讀）。深圳大學正在不斷崛起，在2019年（截至2019年8月23日），深圳大學發表了2篇Science，1篇Nature：

　　2019年10月11日，深圳大學材料學院饒峰，美國約翰霍普金斯大學馬恩、西安交通大學張偉共同通訊在Science 在線發表題為“Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation”的研究論文，該研究在面向高精度神經元計算應用的相變存儲材料與器件研究方面取得重要進展。另外，Science 發表了題為“The promise of phase-change materials”的點評文章，系統總結了該研究成果。饒峰教授為本論文共同通訊作者，團隊成員丁科元博士后為第一作者，深圳大學材料學院為本論文第一單位；

　　鹽對全球植物生長，作物生產和糧食安全都是有害的。過量的鹽引發細胞溶質Ca2 +濃度的增加，其激活Ca2 +結合蛋白并上調Na + / H +反向轉運蛋白以除去Na +。人們一直認為鹽誘導的Ca2 +增加與鹽脅迫的檢測有關，但傳感機制的分子成分仍然未知。深圳大學胡章立及杜克大學Pei Zhen-Ming共同通訊在Nature在線發表題為“Plant cell-surface GIPC sphingolipids sense salt to trigger Ca2+ influx”的研究論文，該研究使用基于Ca2 +成像的正向遺傳篩選，分離了擬南芥突變體moca1，并且鑒定MOCA1作為質膜中的糖基肌醇磷酰神經酰胺（GIPC）鞘脂的葡糖醛酸基轉移酶。 MOCA1是鹽誘導的細胞表面電位去極化，Ca2 + spikes，Na + / H +逆向轉運激活和生長調節所必需的。 Na +與GIPC結合以門控Ca2 +流入通道。這種鹽感應機制可能意味著質膜脂質參與各種環境鹽水平的適應，并可用于改善作物的抗鹽性。總之，研究結果揭示了植物中的鹽感知，強調了GIPCs作為特定類鞘脂的重要性  -用于調節質膜上的信號傳導過程，并強調了各種脂質的功能多樣性。 該研究結果還可以為工程抗鹽作物提供潛在的分子遺傳目標。最后，德國明斯特大學J?rg Kudla等人在Nature 發表了題為“How plants perceive salt”的點評文章，指出GIPC在植物中實現了多種傳感和信號傳導功能，同時說明了膜脂組成在組織功能重要信號域中對植物中許多關鍵過程的關鍵作用（點擊閱讀）；

　　2019年1月11日，伯明翰大學張霜，深圳大學項元江及賓西法尼亞州立大學劉超星合作在Science發表題為“Observation of chiral zero mode in inhomogeneous three-dimensional Weyl metamaterials”的研究論文，該研究設計了一種非均勻的Weyl超材料，在該材料中，通過對單個單元的工程，為Weyl節點產生一個規范場。實驗證實了規范場的存在，并通過單向傳播觀測了零階手性Landau能級。在不破壞時間反轉對稱性的情況下，我們的系統為設計三維光子Weyl系統中的人工磁場提供了一條途徑，并可能在光子學中有潛在的應用前景；

1. 超低噪聲與漂移的相變異質結存儲器

　　隨著人工智能、大數據、超級計算機的迅猛發展，要求傳統商用計算體系架構更加低功耗、高效率、低成本。當前傳統的馮諾依曼計算體系架構采用二進制數字信號且數據處理與存儲分離，約40%的能耗僅用于數據的往返搬運而非計算或存儲。為此業界近年來致力于研發基于新型非易失性存儲技術的類腦神經元計算器件（Neuro-inspired computing devices），從而實現非馮諾依曼架構的全新計算體系，實現存算一體以及模擬信號處理，實現整體計算性能、效率的數量級提升，以應對后摩爾定律時代微納電子產業跨越式發展需求。

　　相變隨機存儲器（Phase-change random-access memory，PCRAM）是最成熟的新型非易失性存儲器技術，2015-2018年間已實現商業化：Intel量產128-512 GB傲騰Optane芯片已作為持久性存儲器（Persistent memory）替代閃存（NAND Flash）及部分內存（DRAM）；近年來基于先進的PCRAM技術研發神經元計算器件已成為業界研發焦點。然而商用PCRAM器件在反復可逆相變操作過程中，Ge2Sb2Te5（GST）材料組分逐步偏析乃至出現較大孔洞，其非晶相具有本征的電阻值隨時間顯著漂移特性，且在結晶化時亦存在較大的隨機性，致使多數據態存儲操作時各態電阻值波動較大，導致高密度存儲陣列的單元間與單元內反復多次操作一致性、協同性低下，造成神經元計算時噪聲頗高，嚴重制約了高精度、高效率神經元計算器件的開發。

△相變異質結PCH器件準二維相變與抑制組分偏析，確保超低數據態電阻波動。

　　聚焦此關鍵科學問題，饒峰、馬恩與張偉通力合作，提出了一種新式的相變異質結(Phase-change heterostructure，PCH)設計，由多個交替堆疊的相變層與限制層構成，并通過原位加熱且低速生長的多層薄膜磁控濺射沉積技術實現了高質量PCH薄膜的制備。該PCH可有效抑制玻璃態相變材料結構弛豫以及反復可逆相變過程中的組分偏析，將PCRAM器件數據態的阻值波動和漂移降低到前所未有的水平。該PCH基PCRAM器件在迭代RESET操作時可實現9個穩定的多態存儲（各電阻態阻值漂移系數小于~0.005，遠低于非晶GST器件的~0.11），并在累積SET操作時器件電導呈現高一致性（波動小于9%，而GST器件波動則超過40%）；這些優越的性能適用于精準矢量矩陣乘法計算（precise vector-matrix multiplication calculations）、快速時序相關探測（rapid temporal correlation detections）和其他要求高精度和高一致性的機器學習任務（machine-learning tasks）。此外，相比GST基器件而言，PCH器件的操作速度快一個數量級（達亞10 ns級）、操作壽命提升三個數量級、操作功耗降低超過87%，亦為發展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解決方案。值得指出的是，PCH結構所采用的多層膜制備技術并不會大幅增加芯片制造成本或需開發額外復雜的工藝，可完美匹配現有PCRAM量產工藝，將有助于大力推進基于先進微電子技術的高性能神經元感知芯片的開發。

△相變異質結PCH器件超低數據態阻值漂移與高精度的迭代RESET和累積SET操作。

　　深大團隊開展該項工作獲得了國家自然科學基金優秀青年基金項目、廣東省重大科研基礎研究項目、深圳市基礎研究科學布局項目的資助。

　　饒峰特聘教授為本論文共同通訊作者，團隊成員丁科元博士后為第一作者，深圳大學材料學院為本論文第一單位。西安交大王疆靖博士、周宇星碩士，浙江大學田鶴教授為共同第一作者；合作者包括路璐博士（西安交大）、賈春林教授（西安交大、德國于利希研究中心）以及Riccardo Mazzarello教授（德國亞琛工大）；其他合作單位包括中科院上海微系統所、榆林學院。

　　本項工作是饒峰教授繼2017年11月Science發表變革傳統馮諾伊曼計算體系架構的超高速緩存（SRAM）級鈧銻碲相變存儲材料與器件研究成果：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing. Rao et al., Science 358, 1423–1427 (2017)，之后的又一重大進展。2019年6月饒峰教授還應邀在Science發表觀點論文：Catching structural transitions in liquids. Rao et al., Science 364, 1032–1033 (2019)，評述了相變存儲材料相變過程中的液-液轉變以及結晶動力學大幅反差的結構根源，并提出了下一步實驗與計算的研究方向。

　　參考消息：

　　https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291

　　https://science.sciencemag.org/content/366/6462/186

　　2.深圳大學胡章立等發現植物全新的鹽感應機制

　　世界土地總面積的6％以上和約20％的灌溉土地（產生世界三分之一的糧食）越來越多地受到鹽積累的影響。過量的鹽對植物的生長和發育是有害的，并導致農業損失和植物生態系統的嚴重惡化。氯化鈉是土壤中溶解性最強且最普遍的鹽。鈉不是植物中必需的營養元素，植物已經進化出減少細胞內鈉積累的機制。在植物中，高鹽引發早期反應，如用于感知和轉導應激信號，以及隨后對重塑轉錄網絡以調節生長和發育的長期反應。雖然已經確定了早期信號通路中的幾種分子成分，但植物鹽傳感器仍然未知。

分離moca1突變體

　　鹽脅迫引發細胞內游離Ca2 +濃度增加（[Ca2 +] i），過量細胞內Na +的排出涉及Ca2 +相關的鹽過度敏感（SOS）途徑。 SOS途徑包括Ca2 +傳感器SOS3（鈣調神經磷酸酶B樣蛋白（也稱為CBL4）），蛋白激酶SOS2（也稱為CIPK24）和Na + / H +反向轉運蛋白SOS1。

moca1突變體在SOS途徑中是缺陷的并且對鹽脅迫過敏

　　雖然鹽誘導的[Ca2 +] i增加被認為是一種檢測機制，但這些增加所涉及的分子成分是未知的。在動物中，鈉是必需的營養元素，并且已經發展出專門的機制以檢測有吸引力的低鹽和厭惡的高鹽條件。值得注意的是，幾個離子通道充當了鹽敏感的感應受體。鈉還會觸發由這些鹽感應通道介導的[Ca2 +] i 現象spikes。然而，在測序的植物基因組中不存在這些通道的同源物。

moca1突變體消除了由單價陽離子誘導的[Ca2 +] i尖峰和波

　　高鹽度會增加滲透壓和離子強度，因此鹽可以發揮兩種應激作用：滲透性和離子性。基于Ca2 +成像的正向遺傳篩選先前已被用于分離特異性缺陷的擬南芥突變體，其特征在于滲透脅迫誘導的Ca2 +增加，導致osmosensing OSCA1 Ca2 +通道的克隆。

MOCA1編碼葡糖醛酸基轉移酶

　　在這里，研究人員優化了類似的基于Ca2 +成像的遺傳篩選的實驗條件，以區分離子效應和鹽脅迫的滲透作用。通過這種方式，研究人員分離了特異性缺陷的擬南芥突變體，其特征在于離子應激誘導的[Ca2 +] i增加。通過這些篩選鑒定的突變體的分析揭示了植物特異性GIPC鞘脂參與檢測質膜中與鹽相關的離子應力。

Na +與GIPC結合并對Ca2 +流入通道進行門控

　　總之，研究結果揭示了植物中的鹽感知，強調了GIPCs作為特定類鞘脂的重要性  -用于調節質膜上的信號傳導過程，并強調了各種脂質的功能多樣性。該研究結果還可以為工程抗鹽作物提供潛在的分子遺傳目標。

　　參考信息：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-019-1449-z

　　https://www.nature.com/articles/d41586-019-02289-x

　　3.相變異質結構可實現超低噪聲和漂移，以實現存儲器操作

　　在量子系統中, 一個帶電荷的粒子在外磁場的作用下在垂直于磁場的方向的運動會被束縛，從而產生了分立的量子能級，即朗道能級 (Landau Level)。對于無質量的相對論粒子，比如二維石墨烯中的狄拉克點 (Dirac point)，朗道能級會存在一個零能態， 其波函數同時繼承了導帶（電子）和價帶（空穴）的量子態。二維系統的狄拉克粒子對應到三維系統便是外爾點 (Weyl point)，相當于三維動量空間中的磁單極。在外磁場下，根據其攜帶的拓撲荷 (topological charge) 的正負號，外爾點的零級朗道模式會沿著或逆著外磁場的方向單向傳播。與拓撲絕緣體不同的是，這個單向傳播的模式是一種體態 (bulk state)，而不是在界面傳播的表面態或邊緣態。

　　在高能物理中，狄拉克或外爾無質量相對論粒子具有手性對稱性，也就保證了其手性電流為守恒量。但是外界微擾的引入會破壞其手性對稱性并導致手性電流不守恒，也就是手性異常。其中，外加磁場產生的零級手性朗道能級便是導致手性異常的最重要的方法。狄拉克和外爾準粒子在電子和光學系統中的發現為在這些系統中觀測手性朗道能級提供了條件。然而，目前為止三維光學系統中手性朗道能級還沒有得到觀測。

　　在周期結構材料中，外爾簡并點是三維系統中的兩個能帶之間的二重的線性簡并。由于空間維度與泡利矩陣維度相同，該簡并點非常穩定，只能在動量空間中當正負拓撲數相反的兩個簡并點相遇并湮滅才能使其消失。同時，由于目前發現的外爾簡并均為偶然簡并，原則上可以在動量空間中隨意調節其位置，這也就為制作人工的規范場提供了很好的機會。

　　以往的設計人工磁場的方法都是通過外加應力實現體系內部發生非周期改變，根據緊束縛近似理論，這種應力張量可以表示為矢量勢，也就產生了人工磁場。這種方法廣泛的應用于二維體系。但是在三維體系中，由于體系的伸縮性不明顯，所以科學家只能理論上研究薄膜或者細線的幾何體中的人工磁場。因此，目前為止，人工磁場只在二維體系中實驗上實現。而三維外爾體系中的人工磁場會產生更加有趣的物理現象，比如外爾準粒子的手性傳輸。

圖1. 非均勻外爾超材料的結構以及色散關系

　　近期，英國伯明翰大學張霜教授課題組，深圳大學項元江副教授課題組與賓夕法尼亞州立大學劉超星教授課題組合作，首次通過調節外爾超材料中每個元胞內部結構，將整個外爾超材料做成非均勻體系，實現了三維光學外爾體系的人工磁場。他們拋棄了以往的通過緊束縛近似理論設計人工磁場的方法，從等效介質理論出發，對外爾超材料元胞內部結構（如圖1A）進行非周期的調節（如圖1B），實現了體系結構中外爾點（如圖1C）在k空間的位置隨實空間坐標的絕熱演變（如圖1D），從而產生了等效的人工規范場，也就是人工磁場。該人工磁場產生能夠產生手性朗道能級（如圖2A，B所示），對于不同的外爾點群速度的方向不同（如圖2C所示），也就是相反方向傳輸的體態在k空間分離。因此在兩個1級朗道能級能帶區間，底面激發只能探測到向上傳輸的零級朗道能級（如圖2D，E1-E7），相反，頂面激發只能探測到向下傳輸的零級朗道能級（如圖2F，G1-G7）。這是光學系統中手性朗道能級的首次觀測。

圖2. 非均勻外爾系統的手性朗道能級。

　　這是項元江課題組和張霜教授課題組繼2018年初在《Science》發表關于理想外爾光學系統、《Nature Communications》發表關于拓撲超材料中光子費米弧的直接觀測、2017年在《Physical Review Letters》發表關于超材料三維光子狄拉克點等研究工作后，又一篇關于拓撲物理方面的重要成果。這個工作首次在電磁學范疇實現了三維外爾系統的人工磁場， 并觀測到由人工磁場實現的手性朗道能級。此工作提供了一個很好的平臺來研究三維經典系統內由強磁場導致的各種有趣的拓撲現象。觀測到的手性零級朗道能級，由于其單向體傳播的性質，在實現新穎光學器件和系統方面有著潛在的應用。

　　參考消息：

　　https://science.sciencemag.org/content/363/6423/148.long